IZGRADNJA MAKETE STAKLENIKA I IZRADA PRIPADNE … · 2019. 5. 11. · Izrada mekete staklenika sastoji se od izrade odgovarajućeg hardvera koja uključuje upravljačko mikroračunalo,

SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE, RAČUNARSTVA I

INFORMACIJSKIH TEHNOLOGIJA

Sveučilišni studij

IZGRADNJA MAKETE STAKLENIKA I IZRADA

PRIPADNE PROGRAMSKE PODRŠKE ZA NADZOR I

UPRAVLJANJE

Diplomski rad

Zvonimir Pervan

Osijek, 2017.

Diplomski rad Pervan Zvonimir, 2017.

1

SADRŽAJ

1.UVOD ............................................................................................................................... 3

2. STAKLENIČKI UZGOJ BILJAKA ................................................................................ 5

2.1. Uzgoj biljaka ............................................................................................................. 6

3. PROJEKTIRANJE I IZGRADNJA MAKETE ............................................................... 8

3.1. Zahtjevi ...................................................................................................................... 8

3.2. Konstrukcija makete .................................................................................................. 9

3.3. Električne komponente ............................................................................................ 11

3.3.1. Mikroračunalni sustav „Arduino MEGA2560“ ................................................ 11

3.3.2. Mikroračunalni sustav „NanoPI NEO“ ............................................................. 12

3.3.3. Senzor za temperaturu i vlagu - DHT21 ........................................................... 14

3.3.4. Senzor za mjerenje koncentracije plinova u zraku – MQ135 ........................... 15

3.3.5. Ultrazvučni senzor HC-SR04 ............................................................................ 16

3.3.6. LC prikaznik 16x02 .......................................................................................... 17

3.3.7. Senzor za vlagu YL-38 ..................................................................................... 18

3.3.8. Relejni modul SRD-05VDC-SL-C ................................................................... 19

3.3.9. Pumpa za navodnjavanje ................................................................................... 19

3.3.10. Elektro-ventil................................................................................................... 20

3.3.11. UV LED rasvjeta ............................................................................................. 21

3.3.12. Ventilatori ....................................................................................................... 22

3.3.13. Foto-otpornik................................................................................................... 22

3.3.14. Grijač ............................................................................................................... 23

3.4. Blokovski prikaz sustava za nadzor i upravljanje ................................................... 24

4. PROJEKTIRANJE I IZRADA PROGRAMSKE PODRŠKE ...................................... 26

4.1. Programska okruženja ............................................................................................. 26


2

4.1.1. Upravljački sustav ............................................................................................. 26

4.1.2. Nadzorni sustav ................................................................................................. 27

4.2. Upravljački sustav ................................................................................................... 28

4.2.1 Logika rada upravljačkog sustava ...................................................................... 28

4.2.2. Prikupljanje podataka sa senzora ...................................................................... 31

4.2.3. Upravljanje aktuatorima .................................................................................... 31

4.3. Serijska komunikacija ............................................................................................. 32

4.3.1 Komunikacijski protokol .................................................................................... 33

4.3.2. Implementacija serijske komunikacije unutar Arduina .................................... 34

4.3.3. Implementacija serijske komunikacije unutar NanoPI-a .................................. 35

4.3.4. Primjer serijske komunikacije ........................................................................... 36

4.4. Nadzorni sustav ....................................................................................................... 37

4.4.1. Web poslužitelj i baza podataka ........................................................................ 37

4.4.2. Back-end sučelje ............................................................................................... 39

4.4.3. Front-end sučelje ............................................................................................... 42

5. RAD SUSTAVA ............................................................................................................ 47

5.1. Postavljanje nadzornog sučelja................................................................................ 47

5.2. Rad cjelokupnog sustava ......................................................................................... 48

6. ZAKLJUČAK ................................................................................................................ 51

LITERATURA .................................................................................................................. 52

SAŽETAK ......................................................................................................................... 54

ABSTRACT ....................................................................................................................... 55

ŽIVOTOPIS ....................................................................................................................... 56

PRILOZI ............................................................................................................................ 57


3

1.UVOD

U današnjem, modernom, okruženju, nezamislivo je koračati po svijetu bez

informacije. Svaki čovjek želi unaprijed znati kakvo će vrijeme biti, najnovije vijesti iz

svijeta, otkucaje srca prilikom treninga, kvalitetu zraka u stambenom prostoru itd. Čovjek

ima neutažive apetite za brzom informacijom o svemu, a u tome svemu je neizostavan

faktor interneta koji omogućava taj brzi prijenos informacije. Internet se usko povezao sa

svim područjima znanosti i djelatnosti, te je tako povezan i sa automatizacijom. Naime,

automatika, osim što rasterećuje čovjeka od repetitivnih zadataka, daje mu uvid u stanje

(pomoću senzora) nekog procesa ili postrojenja te na temelju mjernih podataka i

programirane logike unutar mikroračunala izravno se utječe na proces ili parametre

postrojenja (pomoću aktuatora). Zbog još veće funkcionalnosti, povezana su ta dva

elementa te je prikazan jedan od primjera u ovom diplomskom radu.

Tema rada je izgradnja makete staklenika i pripadne programske podrške. Maketa

staklenika predstavlja sustav u kojem je omogućena sadnja raznih poljoprivrednih kultura,

pri čemu svaka kultura zahtijeva određene uvjete u kojima će rasti.

Izrada mekete staklenika sastoji se od izrade odgovarajućeg hardvera koja uključuje

upravljačko mikroračunalo, senzore i aktuatore, te prikladna programska podrška koja

obuhvaća nadzor i upravljanje parametrima unutar makete preko SCADA-e1 (engl.

Supervisory Controla And Data Acquisition), a nalazi se nalazi na web poslužitelju koji je

ostvaren pomoću dodatnog mikroračunalnog sustava.

Diplomski rad podijeljen je na 5 poglavlja. Drugo poglavlje opisuje staklenički

uzgoj biljaka, njene prednosti i bitne stavke oko stakleničkog uzgoja. U trećem poglavlju

opisan je postupak projektiranja i izgradnje makete staklenika, tj. fizička izvedba makete,

korištena mikroračunala za upravljanje i nadzor, senzori za mjerenje odgovarajućih

fizikalnih veličina te aktuatori za utjecaj istih parametara. U četvrtom poglavlju opisan je

postupak izrade programske podrške upravljačkog i nadzornog sustava staklenika, tj.

implementacija električnih komponenata navedenih u drugom poglavlju, logika rada

upravljačkog sustava, postupak prikupljanja podataka sa ugrađenih senzora te izvedba

1 SCADA – računalni sustav za nadzor, mjerenje i upravljanje nekog sustava.


4

nadzornog sustava uključujući uspostavu web poslužitelja, MySQL baze podataka i web

aplikacije. U petom poglavlju opisan je postupak pokretanja i rad sustava.


5

2. STAKLENIČKI UZGOJ BILJAKA

Staklenik predstavlja objekt za kontrolirani i zaštićeni uzgoj biljaka pri čemu su

stjenke staklenika načinjene od prozirnog materijala. Staklenik se, najčešće, izrađuje od

stakla, iako se u novije vrijeme koristi folija kako bi se postigao staklenički efekt2,

optimalna temperatura te zaštita od padalina i štetnika. Kontroliranjem raznih parametara,

kao što je temperatura i vlaga zemlje nastoje se postići optimalni uvjeti za uzgoj biljaka.

Staklenici se prvenstveno koriste za hortikulturalnu proizvodnju, odnosno komercijalni

uzgoj kultiviranih biljaka poput voća, povrća, cvijeća itd. Također se staklenik može

koristiti i u istraživačke svrhe te u botaničkim vrtovima gdje se uzgajaju biljke iz različitih

krajeva svijeta (podrazumijeva uzgoj egzotičnih biljaka koje ne bi opstale u području

kojem se uzgajaju). Na slici 2.1. prikazani su staklenici u raznim varijacijama [1].

Sl. 2.1. Primjer staklenika [2]

Cijela ideja staklenika je zadržavanje topline, odnosno solarna radijacija3 biljaka koja

prolazi kroz stjenke staklenika koju tlo upija. Tvari unutar staklenika s vremenom postaju

2 Staklenički efekt ili efekt staklenika je zagrijavanje Zemljine površine i donjih slojeva Zemljine atmosfere

selektivnim propuštanjem zračenja. 3 Solarna radijacija – vidljivi i susjedni dijelovi infracrvenog i ultraljubičastog spektra


6

toplije te odašilju infracrvenu energiju veće valne duljine. Staklo i ostali prozirni materijali,

koji se koriste u izgradnji staklenika, ne propuštaju infracrveno zračenje što znači se toplina

zadržava unutar staklenika. Također, bitne stavke predstavljaju ventilacija i grijanje

staklenika [1].

Ventilacija predstavlja jednu od važnih komponenata za uspješan uzgoj biljaka,

osobito u toplim i vlažnim klimatskim uvjetima. Glavna svrha ventilacije je održavanje

temperature i vlažnosti na optimalnoj razini te osigurava strujanje zraka što sprječava

stvaranje biljnih patogena koji preferiraju mirne uvjete zraka. Ventilacijom se osigurava

opskrba svježim zrakom koja pogoduje fotosintezi i disanju biljke [1].

Grijanje predstavlja jednu od neizbježnih stavki za rad sa staklenicima, osobito u

hladnijim klimatskim podnebljima jer treba održavati temperaturu na optimalnim

vrijednostima za uzgoj pojedine biljke. Glavni problem sa grijanjem staklenika je količina

topline koja je potrebna da se ugrije prostor te da se zadrži sama toplina zbog debljine

stjenki staklenika, odnosno dolazi do velikog gubitka topline zbog čega nastaju veliki

troškovi grijanja. Najčešće korišteno grijanje: prirodni plin i električne peći.

Također postoji mogućnost oplemenjivanje zraka sa ugljičnim dioksidom CO2

kako bi se poboljšao rast biljaka [1].

2.1. Uzgoj biljaka

Temperatura treba biti unutar određenih granica za optimalan rast biljaka. Toplo-

sezonsko bilje i povrće imaju najbolji rast na temperaturama između 15°C do 30°C, dok

hladno-sezonskom povrću pogoduje rast između 5°C do 20 °C [3].

Svjetlost je potrebna svim biljkama, u velikim količinama, te se preporuča

izloženost biljaka sunčevoj svjetlosti između 8 do 10 sati, svakog dana, za pravilan rast.

Umjetni izvori svjetlosti, poput žarulja, ne mogu nadomjestiti Sunčevu svjetlost [3]!

Određeni razmak između biljaka osigurava uspješan rast biljke te primitak

odgovarajuće količine svjetlosti. Primjerice, jednoj biljci rajčice potrebno je otprilike 1m2

za pravilan rast, krastavcima je potrebno otprilike 2m2 itd. Većina biljaka i povrća raste

normalno na razmaku preporučanom za vrtnu sadnju [3].


7

Razdoblje sadnje je bitno. Biljke neće rasti jednako u zimskom i ljetnom periodu

zbog temperaturnih razlika i broju sunčanih sati u određenom razdoblju [3].

Biljkama se mora osigurati dovoljna količina vode. Primjerice, tijekom vrućih

ljetnih dana, biljka rajčice može konzumirat i do 2 litre vode dnevno i ako se korijen biljke

ne drži vlažnim biljka će se osušiti [3].

Biljke zahtijevaju kisik za respiraciju kako bi obavljale funkcije unosa vode i

nutrijenata. Kad se biljka posadi u zemlju nije potrebno naknadno oplemenjivati vodu (kao

u hidropontskom sustavu) sa kisikom jer postoji stalan dotok svježe vode. Ovo je kritično

u slučaju ako se biljka posadi izravno u vodu jer se s vremenom sav kisik iscrpi unutar

vode te može ostaviti trajne posljedice na biljkama [3].

Biljke moraju unositi minerale kroz njihov korijen kako bi preživjele. Ti minerali

se pružaju biljkama kroz zemlju u obliku komposta ili gnojiva. Sastojci potrebni za pravilan

rast u velikim količinama su dušik, fosfor, kalij, kalcij, magnezij i sumpor. Mikronutrijenti

– željezo, mangan, bor, cink, bakar, molibden i klor su isto potrebni, ali u vrlo malim

količinama [3].


8

3. PROJEKTIRANJE I IZGRADNJA MAKETE

U ovom poglavlju dan je popis zahtjeva koju mora ispunjavat maketa staklenika,

fizička izvedba samog staklenika (materijal i konstrukcija) te korištene električne

komponente za obavljanje zadanih zadataka s pripadnom programskom podrškom.

3.1. Zahtjevi

Zahtjevi koje mora ispunjavati staklenik su:

• Zalijevanje biljaka – vršiti nadzor vlage u zemlji pomoću senzora (higrometra) i

na temelju izmjerenih vrijednosti izvršiti zalijevanje biljaka do zadane vrijednosti

pri čemu se voda crpi iz spremnika koji se nalazi pored makete.

• Upravljanje temperaturom, vlagom i CO2 – pomoću senzora vršiti nadzor

temperature i vlažnosti zraka te količine CO2 u zraku. Na temelju izmjerenih

vrijednosti izvršiti odgovarajuću radnju (grijanje ili provjetravanje). Raspon

graničnih vrijednosti temperature unutar staklenika iznosi od 19°C do 25°C,

granični postotak vlažnosti zraka u rasponu od 20% do 60%, vlažnost tla u rasponu

od 35% do 50% te udio CO2 u zraku u rasponu od 5% do 10% [4].

• Nadzor spremnika vode – pomoću odgovarajućeg senzora pratiti razinu vode

unutar spremnika. U slučaju da se dosegne kritična razina, potrebno je ugasiti

pumpu te upozorit korisnika da je spremnik prazan.

• Nadzor staklenika preko web sučelja –napraviti SCADA sustav koji će prikazivat

stanje unutar staklenika i povijesne podatke (npr. vrijednost temperature kroz

vrijeme) te promjena parametara, temperature i vlage tla, za novo posađenu biljku.

• Osvjetljavanje biljaka tijekom noći – uz pomoć UV LED rasvjetne trake

osvjetljavat biljke unutar staklenika kako bi rasle i u odsutnosti sunčevog svjetla.

Rasvjeta se pali na temelju mjerenja dobivenog s foto-otpornika.

• Parametriranje sustava na temelju posađene biljke – mogućnost podešavanja

referentnih vrijednosti (vlaga tla i temperatura) preko SCADE koje pogoduju rastu

novo posađene biljke u stakleniku.


9

3.2. Konstrukcija makete

Za realizacija staklenika potrebno je koristiti prozirni materijal kako bi zasađene

biljke mogle primati sunčevu svjetlost te zadržavati vlagu i toplinu. U tu svrhu korišten je

pleksiglas. Na slici 3.1. prikazan je crtež makete s označenim dimenzijama.

Sl. 3.1. Dimenzije makete staklenika

Maketa staklenika postavljena je na postolje, a sastoji se od dva dijela, tj. dio gdje

se sade biljke (staklenik), a drugi dio je mjesto za mikroračunala i elektroničke

komponente. Na slici 3.2. prikazana je fizička izvedba makete. Sa slike je vidljivo da se

poklopac makete može podignuti kako bi se moglo pristupit biljkama unutar staklenika.

Na slici 3.3. prikazane su brizgaljke koje služe za navodnjavanje biljaka unutar staklenika.

Spremnik za vodu predstavlja uobičajeni spremnik za tekućine pri čemu je veličina

zapremnine u iznosu od 15 litara i prikazan je na slici 5.6.


10

Sl. 3.2. Izgled makete

Sl. 3.3. Brizgaljke


11

3.3. Električne komponente

U ovom poglavlju opisane su korištene električnih komponenata, tj. korištena

mikroračunala, senzori, aktuatori i dodatne električne komponente nužne za ispunjavanje

postavljenih zahtjeva.

3.3.1. Mikroračunalni sustav „Arduino MEGA2560“

Arduino predstavlja open-source računalo koje je 2005. godine razvijeno od tvrtke

SmartProjects, Italija. „Open-source“ platforma omogućava korištenje biblioteka i

sadržaja koji nisu napravljeni od proizvođača. Najvažnija stavka ovog mikroračunalnog

sustava je mogućnost realizacije upravljačkog sustava pomoću kojeg se upravlja

aktuatorima i senzorima. Na temelju izmjerenih vrijednosti dobivenih od senzora,

mikroračunalni sustav će na temelju korisničke programske logike izvršit odgovarajuću

radnju (npr. temperaturni senzor pokazuje temperaturu veće od zadanih parametara te će

zbog toga uključiti ventilator kako bi se rashladila okolina). Arduino se sastoji od

digitalnih i analognih ulazno/izlaznih pinova koji se mogu povezat sa raznim

ekspanzijskim tiskanim pločicama (engl. Shield) i ostalim osjetilnim i aktuatorskim

komponentama. Ima integrirano serijsko komunikacijsko sučelje, pri čemu uključuje USB

izlaze na nekim modelima Arduina, koji služi za prijenos programskog koda u memoriju i

daljnje upravljanje mikroračunalnim sustavom. Za programiranje mikroupravljača,

Arduino pruža integrirano razvojno okruženje zvano ArduinoIDE (engl. Integrated

Development Enviroment) koje će se koristiti za izradu programske podrške [5].

Za potrebe diplomskog rada korišten je „Arduino MEGA2560“ mikroračunalni

sustav, prikazan na slici 3.4.

Sl 3.4. „Arduino MEGA2560“ mikroračunalni sustav [5]


12

U tablici 3.1 dane su tehničke i fizičke karakteristike danog mikroračunala.

Tab 3.1. Tehničke karakteristike „Arduino MEGA2560“ [5]

Razlog korištenja ove inačice Arduina je veća procesorska i memorijska moć zbog

velikog broja zadataka koji će se izvršavati i korištenih komponenata (senzori, aktuatori i

prikaznik). Arduina predstavlja upravljački sustav pomoću kojeg se obavlja upravljanje i

nadzor nad temperaturom zraka, vlažnosti tla, vlažnosti zraka i količine CO2.

3.3.2. Mikroračunalni sustav „NanoPI NEO“

NanoPi NEO je mikroračunalni ARM4 sustav sa GPIO (engl. General Purpose

Input Output) pinovima. Posjeduje Allwinner H3 Quad Core A7 procesor na brzini od 1.2

GHz, 512MB DDR3 memorije sa širinom od 32 bit-a. Tvrtka FriendlyElec napravila je

4 ARM (eng. Advanced RISC Machine) – pripada obitelji računalnih procesora sa smanjenim brojem instrukcijskih

naredbi koji je prilagođen raznovrsnim namjenama.

Arduino „MEGA 2560“

Mikrokontroler ATmega328P

Napajanje 5V

Ulazni Napon (preporučano) 7-12V

Ulazni Napon (limit) 6-20V

Digitalni U/I Pinovi 54 (Od čega su 15 PWM izlazi)

Analogni Ulazni Pinovi 16

DC Struja po U/I Pinu 20 mA

DC Struja za 3.3V Pin 50 mA

Flash Memorija 256 KB (ATmega328P), 8 KB bootloader

SRAM 8 KB (ATmega328P)

EEPROM 4 KB (ATmega328P)

Clock Brzina 16 MHz

Dužina 101,52 mm

Širina 53.4 mm

Težina 37 g


13

vlastiti nisko-potrošni Linuxoid (Ubuntu jezgra). Zbog dimenzija (40x40 mm),

prilagođenog software-a i tehničkih specifikacija često je korišten platforma za IoT (engl.

Internet of Things) projekte od strane hobista i profesionalaca [6].

Sl 3.5. NanoPI NEO [6]

Na slici 3.5. prikazan je NanoPI NEO, a u tablici 3.2. su prikazane tehničke

karakteristike samog mikroračunala.

Tab 3.2. Tehničke karakteristike za „NanoPI NEO“ [6]

NanoPI NEO

Procesor Allwinner H3, Quad-core Cortex-A7 Up to 1.2GHz

RAM 512MB, DDR3

Brzina veze 10/100M Ethernet

USB Type-A x 1, 3.54 mm pin x 2

MicroSD utor 1

MicroUSB Ulaz za napajanje

Napajanje 5V/2A DC

GPIO 36 pinova (uključuje UART, SPI, IIC, IO itd.)

Dimenzije 40x40 mm

Radna temperatura -40°C do 80°C

Operativni sustav u-boot, Ubuntu Core

Razlog korištenja NanoPI-a je njegova mogućnost povezivanja na Internet,

postavljanje web poslužitelja (baza podataka i web aplikacija) koji će pokretat nadzorni

sustav te omogućit praćenje stanja staklenika preko internet preglednika.


14

3.3.3. Senzor za temperaturu i vlagu - DHT21

DHT21 je kalibrirani digitalni senzor za mjerenje temperature i vlage.

Mikroračunalo, koje je smješteno unutar senzora, osigurava veliku pouzdanost te

dugoročnu stabilnost. Na slici 3.6. prikazan je izgled DHT21 senzora [7].

Sl. 3.6. DHT21 senzor [7]

Razlog korištenja DHT21 senzora je mjerni opseg temperature i vlage (prikazane u

tablici 3.3.) koja ispunjava zahtjeve opisanim u potpoglavlju 3.1. Dodatni razlozi: male

dimenzije, niska potrošnja električne energije i prihvatljiva cijena. U stakleniku se koriste

dva DHT21 senzora kako bi se smanjila mjerna nesigurnost. Na slici 3.7. prikazan je

raspored izlaznih pinova te njihova pojašnjenja funkcija.

PIN Boja Ime Pojašnjenje

1 Crvena VDD Napajanje (+)

2 Žuta SDA Podaci

3 Crna GND Zemlja (-)

4 - - Prazno

Sl. 3.7. Raspored i pojašnjenje izlaznih pinova [7]


15

Tab. 3.3. Tehničke karakteristike DHT 21 senzora [7]

DHT 21

Napajanje 3.3 do 5.2 V (preporučano 5V)

Mjerni opseg Vlaga: 0 do 100 % RH (engl. Relative humidity)

Temperatura: -40°C do + 80°C

Točnost Vlaga: ±3% RH (Max: ±5% RH)

Temperatura: < ±1°C

Rezolucija Vlaga: 0.1% RH

Temperatura: 0.1°C

Ponovljivost Vlaga: ±1% RH

Temperatura: < ±0,2°C

3.3.4. Senzor za mjerenje koncentracije plinova u zraku – MQ135

MQ 135 sa FC22 pločicom je senzor za mjerenje koncentracije plinova u zraku

poput ugljikovog dioksida (CO2), benzinskih para, alkoholnih para, NOx, NH3 itd. Senzor

se sastoji od čelične mrežice ispod koje je smješten senzor. Senzor se zagrijava i pri

kontaktu sa plinom dolazi do ionizacije unutar mrežice pri čemu se mijenja otpor unutar

senzora i u konačnici vrijednost izlazne struje. Vrijednost otpora je drugačija za različite

plinove te se preporuča podešavanje vrijednost otpora potenciometra smještenog na FC22

pločici. Na slici 3.8. prikazan je MQ135 senzor na FC 22 pločici [8].

Sl 3.8. MQ135 sa FC-22 pločicom [9]

Razlog korištenja ovog senzora je mjerenje kvalitete zraka odnosno količinu CO2

unutar staklenika. Zrak se s vremenom ustali u zatvorenom prostoru te može doći do


16

razvoja patogenih bakterija (pogledaj potpoglavlje 2.1. i potpoglavlje 3.1.) i na temelju

izmjerenih vrijednosti MQ135 senzora izvršava provjetravanje staklenika (nastoji se

održavat što manja vrijednost količine CO2 unutar staklenika). U tablici 3.4. prikazan je

raspored pinova.

Tab. 3.4. Raspored pinova [9]

PIN Ime Značenje

1 Vcc Napajanje, +5VDC

2 GND Uzemljenje

3 DO Digitalni izlaz

4 AO Analogni izlaz

3.3.5. Ultrazvučni senzor HC-SR04

HC-SR04 je ultrazvučni senzor pomoću kojeg je moguće mjeriti udaljenost

objekata. Pruža mogućnost beskontaktnog mjerenja udaljenosti pomoću ultrazvučnih

odašiljača, prijemnika te upravljačkog sklopa. Na slici 3.9. prikazan je izgled navedenog

senzora [10].

Sl 3.9. HC-SR04 [10]

U tablici 3.6. prikazano su značenje pinova na senzoru.

Tab. 3.6. Značenje pinova [10]

Oznaka Značenje

VCC Napajanje, +5V

Trig Okidački impuls, ulaz

Echo Impuls odjeka, izlaz

Gnd Uzemljenje


17

Osnovni princip rada [10]:

1) Koristi U/I okidačke signale za najmanje 10us,

2) Senzor šalje osam 40kHZ signala te detektira postoji li povratni signal,

3) Ako se signal vrati, tada se mjeri vrijeme od okidanja do povrata signala.

Razlog korištenja ovog senzora je mogućnost mjerenje razine vode unutar spremnika vode

čije dimenzije ne prelaze maksimalni mjerni doseg senzora (pogledaj tablicu 3.7.).

Tab. 3.7. Tehničke karakteristike HC-SR04 [10]

HC-SR04

Radni napon 5VDC

Potrošnja struje 15mA

Radna frekvencija 40Hz

Max doseg 400cm

Min doseg 2cm

Kut mjerenja 45°

3.3.6. LC prikaznik 16x02

Prikaznik s tekućim kristalima (engl. LCD - Liquid Crystal Display) je prikaznik

namijenjen za ugradbene računalne sustave pomoću kojeg se mogu ispisat poruke, stanja

unutar sustava i vrijednosti senzora. Izgled prikaznika i redoslijed pinova dan je na slici

3.10., a svrha pojedinog pina dano je u prilogu 3.3.1 [11].

Sl. 3.10. LCD 1602 [12]


18

Razlog korištenja ovog prikaznika je njegova mogućnost prikaza 16 znakova u dva reda

(vidi tablicu 3.8.) što je dovoljno za prikaz imena izmjerenog parametra i vrijednosti

izmjerene unutar staklenika te prikaz stanja unutar sustava.

Tab. 3.8. Tehničke karakteristike prikaznika [11]

LCD1602

Izgled prikaznika 16 znakova, 2 reda

Vrsta prikaznika Pozitivno, transreflektivno

Radna temperatura Sobna temperatura, ~21°C

Napajanje +5V

Vrsta mikroprocesora COB (Chip On Board)

Znakovi ASCII

3.3.7. Senzor za vlagu YL-38

YL-38 je modul pomoću kojeg je moguće mjeriti količinu vlage unutar zemlje.

Izgled modula prikazan je na slici 3.11.

Sl. 3.11. YL-38 modul

Modul je dizajniran tako da su na jednoj strani smješteni pinovi za spajanje senzora, a

druga strana sadrži pinove za napajanje te analogne i digitalne priključke koji šalju

izmjerenu vrijednost sa senzora prema mikroračunalu. Na slici 3.11. prikazan je raspored

i značenje pinova [13].

Razlog korištenja ovog modula je mogućnost mjerenja vlažnosti zemlje te na

temelju izmjerenih vrijednosti vrši se navodnjavanje zemlje unutar staklenika (vidi

potpoglavlje 3.1.). Koriste se dva YL-38 modula kako bi se smanjila mjerna nesigurnost.


19

3.3.8. Relejni modul SRD-05VDC-SL-C

Relej predstavlja jednu vrstu prekidača upravljano pomoću zakona

elektromagnetizma. Relej se koristi za prekidanje strujnog kruga. Modul SRD-05VDC-

SL-C je relejni modul koji se sastoji od releja izdržljivosti do 10A što ga čini idealnim u

strujnim krugovima s malim vrijednostima struje. Na slici 3.12. prikazan je navedeni

modul sa označenim pinovima i stezaljkama. Na slici se također vide tehničke

karakteristike releja [14].

Sl. 3.12. Relejni modul sa relejnom sklopkom SRD-05VDC-SL-C

Razlog korištenja ovog modula je uključivanje/isključivanje grijača zraka (sušilo

za kosu) na temelju izmjerenih temperaturnih vrijednosti unutar staklenika. Sam grijač ima

potrošnju struje od 2.5A na 220V AC te je unutar dozvoljenih granica radnog područja

releja. Također je na modulu ugrađen optosprežnik koji galvanski odvaja Arduino od

samog releja te tako smanjuje utjecaj elektromagnetskih smetnji koje nastaju kod

uključivanja/isključivanja grijača.

3.3.9. Pumpa za navodnjavanje

Pumpa predstavlja jednu od bitnijih dijelova sustava jer je pomoću nje omogućeno

zalijevanje biljaka unutar staklenika. Za potrebe ovog rada korištena je utopna pumpa s DC

motorom (prikazana na slici 3.13.) jer omogućava navodnjavanje zemlje pri čemu je snaga

pumpe (vidi tablicu 3.11.) dovoljna pošto se navodnjavaju male površine zemlje.


20

.Sl. 3.13. Utopna pumpa [15]

Tab. 3.11. Tehničke karakteristike pumpe [15]

Utopna pumpa

Radni napon DC 12V


Max. protok 240L/H

Max. visina dizanja vode 3m

Potrošnja energije 3.6W

3.3.10. Elektro-ventil

Za manipulaciju protoka vode unutar cijevi potreban je elektro-ventil koji je

prikazan na slici 3.13. Pomoću ovog modula moguće je utjecati na protok vode unutar

cijevi.

Sl. 3.13. Elektro-ventil [16]


21

Osim upravljanja protokom vode unutar cijevi, jedan od razlog korištenja elektro-ventila

je nabijanje pritiska unutar cijevi, u suprotnom će mlaz vode iz krajnjih brizgaljki biti

slab što rezultira nejednakim zalijevanjem zemlje.

3.3.11. UV LED rasvjeta

Za učinkovitiji rast biljaka tijekom noći, koristi se UV LED rasvjeta, koja je

prikazana na slici 3.14.

Razlog korištenja UV rasvjete je poboljšanje kvalitete rasta biljke unutar staklenika

u odsutnosti sunčeve svjetlosti, tj. ubrzava postupak klijanja biljaka, povećava otpornost

biljke na bolesti te uništavanje štetnih mikroorganizama unutar samog staklenika [17].

Ova rasvjeta je vodotoporna što ju čini idealnim za korištenje unutar staklenika koji

je izložen velikoj količini vlage (vidi tablica 3.13.).

Sl. 3.14. UV LED rasvjeta [18]

Tab. 3.13. Tehničke karakteristike [18]

UV LED rasvjeta

Radni napon DC 12V

Dužina trake 45cm

Potrošnja struje 350 mA

Namjena Unutrašnjost

Valna duljina 395 – 405nm

Odlike Vodootporno


22

3.3.12. Ventilatori

Kako bi unutar staklenika postojao konstantan dotok svježeg zraka te smanjila

temperatura koriste se ventilatori pogonjeni istosmjernim motorom. Na slici 3.15.

prikazani je takav jedan ventilator. Na poklopcu staklenika (vidljivo na slici 5.6.)

postavljena su dva ventilatora pri čemu jedan upuhuje, a drugi izvlači zrak što stvara bržu

izmjenu sastava zraka unutar staklenika.

Sl. 3.15. DC Ventilator [19]

Zbog male zapremnine staklenika, dimenzije ventilatora (vidi tablicu 3.14.) odgovaraju

postavljenim zahtjevima (vidi potpoglavlje 3.1.), tj. u relativno kratkom vremenskom

razdoblju smanjuju količinu CO2 unutar staklenika.

Tab. 3.14. Tehničke karakteristike [19]

3.3.13. Foto-otpornik

Foto-otpornik predstavlja jednu vrstu otpornika koja na temelju intenziteta svjetlosti (koja

pada na otpornik) mijenja vrijednost svog otpora. U odsutnosti svjetla u prostoriji (mraku)

DC ventilator

Radni napon DC 12V


Namjena Unutrašnjost

Veličina 120mm x 25mm

Priključak 2 pina

Akceleracija 981m/s2


23

vrijednost otpora foto-otpornika se povećava do nekoliko MΩ, dok je u prisutnosti svjetla

vrijednost do par stotina Ω. Na slici 3.16. prikazan je takav jedan otpornik. [20]

Sl. 3.16. Foto-otpornik [20]

Razlog korištenja foto-otpornika je mjerenje trenutne razine svjetlosti unutar

staklenika kako bi se, u slučaju niske razine ili odsutnosti svjetla, upalila UV LED rasvjeta

koja pospješuje rast i tijekom noći (vidi potpoglavlje 3.1.).

3.3.14. Grijač

Za grijač zraka, unutar staklenika, koristi se staro sušilo za kosu koje je prikazano

na slici 3.17. Grijač, za svoj rad, koristi mrežni napon, tj. 230V AC pri čemu se postiže

najveća potrošnja struje do 2.5A. Grijač se uključuje pomoću releja (vidi potpoglavlje

3.3.8.) koji je projektiran za struje većih iznosa (do 10A). Razlog korištenja ovakve vrste

grijača je mogućnost brzog zagrijavanja prostora unutar staklenika.

Sl. 3.17. Grijač (sušilo za kosu)


24

3.4. Blokovski prikaz sustava za nadzor i upravljanje

Sve navedene mikroračunalne sustave, senzore i aktuatore potrebno je povezati u

jednu skladnu i smislenu cjelinu.

CO2 SenzorMQ2

UltrazvučniSenzor

Senzor za vlagu i temperaturu 2

DHT21

Senzor za vlagu i temperaturu 1

DHT21

Higrometar2

Higrometar1

Tipkalo

RelejGrijač

Tranzistorska Sklopka

Elektroventil

TranzistorskaSklopkaUV LED

TranzistorskaSklopkaPumpa

TranzistorskaSklopka

Ventilator

Elektroventil

Grijač

UV LED

VentilatorIspuh

ARDUINOMEGA2560

SENZORI

SCADANanoPI

Pumpa Brizgaljke

UPRAVLJAČKI SUSTAV

NADZORNI SUSTAV

SKLOPNICI/RELEJI AKTUATORI

LC Prikaznik

PRIKAZ STANJA

Foto-otpornik

TranzistorskaSklopka

Ventilator

VentilatorUpuh

Krajnik spremnika

vode

Sl. 3.18. Blokovski prikaz sustava po logičkim cjelinama

Na slici 3.18. dan blokovski prikaz cjelokupnog sustava po logičkim cjelinama, tj. način

na koji su povezani dijelovi sustava. Sustav se sastoji od sljedećih cjelina:

• Nadzorno i upravljačko računalo – sastoji se od mikroračunalnog sustava

Arduino MEGA2560 te predstavlja jezgru staklenika, tj. podaci se prikupljaju sa

senzora te se na temelju izmjerenih vrijednost izvršava odgovarajuća radnja.

Također je uspostavljena serijska komunikacija između upravljačkog i nadzornog

sustava za razmjenu informacije.

• SCADA sustav – predstavlja nadzornu jedinicu u kojoj je prikazano stanje unutar

sustava odnosno vrijednost temperature zraka, vlažnost zraka, vlažnost tla, razina

vode u spremniku, količine CO2 u zraku i stanje aktuatora (ON/OFF).


25

• Senzori – služe za mjerenje vrijednosti temperature, vlage tla i zraka te količine

CO2 u zraku unutar staklenika.

• Aktuatori – utječu na vrijednosti parametara unutar staklenika, tj. promjena

temperatura zraka, vlage tla te količinu vlage i CO2 u zraku.

• Sklopno/relejni elementi – za pravilno upravljanje aktuatorima potrebno je dodat

sklopne elemente jer Arduino ne može pružiti dovoljnu količinu struje za pokretanje

aktuatora. Na priključke sklopnih elemenata doveden je napon iz vanjskog

napajanja koji pokreće aktuatore.

Upravljački sustav predstavlja poveznicu s ostatkom sustava, tj. prikuplja podatke sa

senzora, obrađuje ih te, na temelju obrađene vrijednosti, izvršava odgovarajuće radnje

(uključuje/isključuje aktuatora), prikazuje izmjerene vrijednosti na LC prikazniku te šalje

vrijednosti izmjerenih parametara u nadzorni sustav (web aplikaciju).


26

4. PROJEKTIRANJE I IZRADA PROGRAMSKE PODRŠKE

U ovom poglavlju opisan je postupak izrade programske podrške za maketu

staklenika odnosno programska podrška za rad sa senzorima i aktuatorima te nadzornog

sustava, tj. SCADA sustava.

4.1. Programska okruženja

U ovom potpoglavlju dan je opis korištenih programskih paketa potrebne za

realizaciju upravljačkog sustava (Arduino MEGA2560 i električne komponente) te

SCADA sustava (NanoPI NEO i web aplikacija).

4.1.1. Upravljački sustav

Osim što je potrebno fizički povezat Arduino MEGA2560 sa električnim

komponentama, bez prikladne programske podrške sustav neće radit. U tu svrhu koristi se

Arduino IDE (slika 4.1.) razvojno okruženje koji koristi prilagođeni C-jezik za rad unutar

razvojnog okruženja.

Sl.4.1. Razvojno okruženje Arduino IDE

Razlog korištenja ovog razvojnog okruženja je jednostavnost implementacije koda na

Arduino, tj. gotove funkcije za rad sa senzorima, jednostavna uspostava serijske

komunikacije te gotove funkcije za obradu sadržaja dobivenih putem serijske

komunikacije.


27

4.1.2. Nadzorni sustav

Za lakše praćenje i razumljiviju interpretaciju informacija dobivenih iz upravljačkog

sustava, napravljen je nadzorni sustav, tj. SCADA sustav. Nadzorni sustav postavljen je na

NanoPI mikroračunalu, a sama aplikacija nadzornog sustava sadrži back-end i front-end

sučelje. Pod back-end sučeljem podrazumijeva se komunikacija između Arduina i NanoPI

mikroračunala, slanje primljenih podataka u bazu te komunikacija između web aplikacije

i baze podataka. Pod front-end sučeljem podrazumijeva se izrada korisničkog sučelja, tj.

web aplikacije gdje korisnik nadzire stanje unutar sustava. Sučelje je izrađeno pomoću

Foundation framework-a [31], a omogućava izradu responzivnih web aplikacija. Za

vizualizaciju povijesnih podataka koristi se Javascript.

Za rad sa NanoPI mikroračunalom potrebno je na SD karticu instalirati operacijski

sustav, tj. koristi se Snappy Ubuntu Core i predstavlja Linux Ubuntu 16.04.3 operacijski

sustav prilagođen za mikroračunalne sustave pri čemu je izostavljeno grafičko sučelje. Za

pristup i programiranje mikroračunala, koristi se SSH klijent za uspostavu SSH5

komunikacije sa mikroračunalom.

Za realizaciju nadzornog sučelja, koriste se sljedeće programske tehnologije:

• Python – koristi se za serijsku komunikaciju između Arduina i NanoPI-a te

zapisivanje i čitanje podataka iz baze podataka.

• MySQL – koristi se za upravljanje bazom podataka, tj. pohrana informacije

dobivenih od upravljačkog i nadzornog sučelja te za prikaz upisanih podataka na

web aplikaciji. Baza se nalazi na mikroračunalu NanoPI.

• PHP –služi za dohvaćanje i ispis vrijednosti iz baze podataka te prijavu korisnika u

nadzorni sustav.

• Javascript – koristi se za vizualizaciju podataka, tj. povijesni prikaz vrijednosti

podataka tijekom vremena.

5 SSH ili Secure Shell – kriptografski mrežni protokol za rad sa mrežnim servisima preko zaštićene komunikacije

na nesigurno mreži


28

4.2. Upravljački sustav

U ovom potpoglavlju opisana je logika i način rada pojedinih dijelova upravljačkog

sustava.

4.2.1 Logika rada upravljačkog sustava

Kao što je spomenuto u prethodnom poglavlju, potrebno je prikupljat podatke sa

senzora, obradit ih te izvršiti odgovarajuću radnju na temelju obrađenih vrijednosti, tj.

uključiti/isključiti odgovarajući aktuator. Sustav je podijeljen na podatkovni i upravljački

dio.

POČETAK

Da li serijski međuspremnik sadrži

podatake?

INICIJALIZACIJA SUSTAVAInicijalizacija varijabliPostavi serijsku komunikacijuInicijalizacija prikaznikaInicijalizacija senzoraPostavi pinove (INPUT/OUTPUT)Postavi početne vrijednosti

Sadržaj == TRUE?

Pohrani sadržaj

Ostavi sadržaj prazno

Da li je sadržaj jednak naredbi?

Pročitaj vrijednosti

Pošalji sadržaj preko serijskog

sučelja

PRIMANJE NAREDBESLANJE PODATAKA

Po

vratna V

eza

Sljedeća naredba

...

Obradi sadržaj

DA NE

DA NE

DA NE

Sl. 4.2. Dijagram toka rada podatkovnog dijela sustava


29

Na slici 4.2. prikazan je dijagrama toka rada podatkovnog dijela upravljačkog

sustava. U podatkovnom dijelu obrađuju se podaci pristigli na serijski međuspremnik

(buffer). Iz serijskog međuspremnika se čitaju podaci, pri čemu podaci sadrže naredbe i

vrijednosti dobivene od nadzornog sustava. U slučaju da postoji sadržaj unutar serijskog

međuspremnika, upravljački sustav ih pročita, obradi ih te putem serijske komunikacije

vraća odgovor nadzornom sustavu (prikladno dobivenoj naredbi). U potpoglavlju 4.3.

detaljnije je opisan postupak obrade i slanje podataka putem serijskog komunikacijskog

sučelja.

Na slici 4.3. prikazan je drugi dio sustava, odnosno upravljački dio. Upravljački

dio nadzire stanje unutar staklenika pomoću senzora i uključuje/isključuje odgovarajuće

aktuatore. Unutar upravljačkog dijela se prvotno uzimaju vrijednosti sa senzora, tj.

vrijednost temperature zraka, vlažnosti zraka, vlažnost zemlje, količina CO2 u zraku te

trenutna razina svjetlosti u prostoriji. Mjerenja se uzimaju kao što je objašnjeno u

potpoglavlju 4.2.2. pri čemu se povećava sigurnost da je izmjerena vrijednost približna

stvarnoj. Nakon mjerenja, vrijednosti se uspoređuju sa zadanim graničnim vrijednostima

unutar upravljačkog sustava, odnosno sa zadanim graničnim vrijednostima za temperaturu,

vlagu zraka, količine CO2, vlage tla i količine svjetlosti.

Cijeli sustav se nalazi u povratnoj vezi, tj. upravljački sustav u svakoj iteraciji

provjerava vrijednosti parametara unutar staklenika i u slučaju prelaska min. i max.

dopuštenih graničnih vrijednosti, pali se odgovarajući aktuator i izvršava svoju zadaću sve

dok se ne postigne optimalna vrijednost. Primjer – vrijednost temperature je manja od

min. dopuštene temperaturne granice, uključuje se grijač koji izvršava svoju zadaću sve

dok se ne postigne optimalna temperatura pri čemu je vrijednost optimalne temperature

jednaka srednjoj vrijednosti dopuštene min. i max. temperature. Optimalne vrijednosti

ovise od biljke do biljke. Za prikaz vrijednosti parametara iz staklenika u nadzornom

sučelju, šalju se upiti od strane nadzornog sučelja prema upravljačkom sustavu u

vremenskim razmacima od 15 minuta, pri čemu se upiti pohranjuju u bazi podataka i

prikazuje na web aplikaciji.


30

ČITANJE VRIJEDNOSTISA SENZORA

Temperatura, vlaga tla, vlaga zraka, količina CO2, svjetlost

opt_vrijednost&&

trenutna_temp <= max_temp ||

trenutno_co2 <= max_co2

NE

Uključi ventilatore

izmjerena_temp <= temp_min||

Grijač_fl== ON?

DA

Isključi grijač/Ostavi IsključenoGrijač_fl = OFF

Isključi ventilatore/Ostavi isključeno

NEDA

trenutna_vlaga_tla <= vlaga_tla_min

||Pumpa_fl == ON?

Otvori ventil/Ostavi otvoreno

NEDA

Isključi pumpu/Ostavi Isključeno

Izmjerena_svjetlost <= prag_svjetlost?

Ne

Uključi UV/Ostavi uključeno

UPRAVLJAČKI SUSTAV

Po

vrat

na

Ve

zaP

ovr

atn

a V

eza

izmjerena_temp >= optimalna_temp?

Isključi grijačGrijač_fl = 0FF

Uključi grijačGrijač_fl = ON

NEDA

trenutna_vlaga_tla >=vlaga_tla_optimalno

&&Razina_vode >=Min_vrijednosti

Otvori ventilIsključi pumpu

pumpa_fl = OFF

NEDA

Zatvori ventilUključi pumpupumpa_fl = ON

Da

...

Isključi UV/Ostavi isključeno

Sl. 4.3. Dijagram toka rada podatkovnog dijela sustava


31

4.2.2. Prikupljanje podataka sa senzora

Prikupljanje vrijednosti parametara unutar staklenika izvodi se pomoću senzora, ali

zbog nesavršenosti električnih komponenata moguće je izmjeriti pogrešne vrijednosti. U

tom slučaju potrebno je mjeriti tako da se odbace netočna mjerenja. U programskom

isječku koji slijedi prikazano je prikupljanje podataka gdje se odbacuje pogreška.

1. float VlagaMedijan() { 2. float vlaga_medijan[6]; 3. int i = 0, j = 0, max = 0, temp = 0; 4. vlaga_medijan[0] = dht1.readHumidity(); 5. vlaga_medijan[1] = dht2.readHumidity(); 6. delay(2000); 7. vlaga_medijan[2] = dht1.readHumidity(); 8. vlaga_medijan[3] = dht2.readHumidity(); 9. delay(2000); 10.vlaga_medijan[4] = dht1.readHumidity();

11.vlaga_medijan[5] = dht2.readHumidity();

12.for (i = 0; i < 6; i++){

13. for (j = 1; j < 6; j++){

14. if (vlaga_medijan[i] < vlaga_medijan[j]){

15. temp = vlaga_medijan[i];

16. vlaga_medijan[i] = vlaga_medijan[j];

17. vlaga_medijan[j] = temp;

18. }

19. }

20. }

21.return ((vlaga_medijan[2] + vlaga_medijan[3]) / 2);}

Prikazani programski isječak predstavlja funkciju unutar koje se vrši šest uzastopnih

mjerenja, vrijednosti se pohrane u vektor, sortiraju po uzlaznoj veličini (pomoću bubble

sort algoritma), koriste se vrijednosti koje se nalaze na 2. i 3. mjestu u vektoru podataka te

se uzme njihova srednja vrijednost i vraća kao rezultat iz funkcije. Gornji primjer

predstavlja mjerenje temperature zraka pomoću dva DHT21 senzora.

4.2.3. Upravljanje aktuatorima

Nakon što se podaci prikupe sa senzora, potrebno je donijeti odluku na temelju

dobivenih vrijednosti. Za primjer, prikazan je postupak upravljanja ventilatorima u

programskom isječku koji slijedi. Upravljanje ventilatorima realizirano je pomoću funkcije

koja prima 4 argumenta, a to su: trenutna temperatura, trenutna vrijednost CO2, najveća

dozvoljena temperaturna granica i najveća dozvoljeni udio CO2 unutar staklenika. U

slučaju da vrijednost trenutne temperature ili trenutne količine CO2 nadilazi najveće

dopuštene vrijednosti, ventilatori se uključuju. Ventilatori rade sve dok se ne postigne


32

optimalna temperatura (vidi potpoglavlje 4.2.1.) ili zadana granična vrijednost količine

CO2 unutar staklenika.

1. boolean Ventilacija(float temp, float co2) { 2. boolean vent_fl = 0; 3. Serial.println(temp); 4. Serial.println(co2); 5. if (temp > max_temp || co2 > max_co2){ 6. digitalWrite(vent_1_pin, HIGH); 7. digitalWrite(vent_2_pin, HIGH); 8. vent_fl = 1; 9. } 10. float optimalna_temp = (max_temp + min_temp)/2;

11. if (temp <= optimalna_temp && co2 <= max_co2 - 5){

12. digitalWrite(vent_1_pin, LOW);

13. digitalWrite(vent_2_pin, LOW);

14. vent_fl = 0;

15. }

16. return vent_fl;

17. }

Ostale funkcije za upravljanje aktuatora temelje se na istom principu rada kao i prethodni

programski isječak (ako su izmjerene vrijednosti u zadanim granicama - ne čini ništa, inače

– uključi odgovarajući aktuator).

4.3. Serijska komunikacija

U ovom potpoglavlju opisana je serijska komunikacije između upravljačkog i

nadzornog sustava. Svaki sustav ima svoj način slanja i primanja serijskih podataka.

Serijska komunikacije je ostvarena pomoću UART6 sučelja koji se nalaze na Arduinu i

NanoPI-u zajedno s „USB-to-serial“ pretvornicima kako je prikazano na slici 4.4..

a) b)

Sl. 4.4. UART sučelja: a) ArduinoMEGA2560, b) NanoPI NEO

6 UART (engl. Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) – računalna komponenta korištena za asinkronu

serijsku komunikaciju pri čemu je oblik podataka i brzina slanja podesiva.


33

4.3.1 Komunikacijski protokol

Za uspješnu komunikaciju između upravljačkog i nadzornog sustava, osmišljen je

način komunikacije pomoću podatkovnih paketa koji sadrže odgovarajuće naredbe.

Korištene naredbe prikazane su u tablici 4.1.

Tab. 4.1. Naredbe i njihovo značenje

Naredba Značenje Naredba Značenje

10 Trenutna temperatura 42 Max. vlažnost zemlje

11 Min. temperatura 50 Stanje ventilatora

12 Max. temperatura 51 Stanje pumpe

20 Trenutna vlažnost zraka 52 Stanje grijaca

21 Min. vlažnost zraka 53 Stanje UV LED

22 Max. vlažnost zraka 60 Razina vode u spremniku

30 Trenutna količina CO2 70 Promjena min. temperature

31 Min. količina CO2 71 Promjena max. temperature

32 Max. količina CO2 72 Promjena min. vlage tla

40 Trenutna vlažnost zemlje 73 Promjena max. vlage tla

41 Min. vlažnost zemlje

Primjer podatkovnog paketa koji sadrži naredbu sa vrijednostima:

70/15/50

Zelene znamenke predstavljaju broj naredbe (u danom primjeru je to promjena min

temperature), narančaste znamenke predstavljaju vrijednost temperature, odnosno 15.50

°C. Podaci se odvajaju pomoću „ / “ za lakšu obradu podatkovnog paketa unutar sustava.

Primjer - prilikom sadnje nove biljke unutar staklenika, potrebno je promijeniti

granične vrijednosti temperature i vlage tla. Korisniku je omogućeno unutar web aplikacije

nadzornog sustava odabrat jedan postojeći recept pri čemu recepti predstavljaju

predefinirane granične vrijednosti temperature zraka i vlage tla koje su postavljene za

svaku biljku zasebno prema [3]. Primjer takve komunikacije prikazano je na slici 4.5.


34

Upit:Želim posaditi salatu!

Upit: 70/15/50UPRAVLJAČKI SUSTAVPročitaj vrijednosti,

Promijeni parametar,Kad se promijene parametri - pošalji

potvrdu o promijeni

KORISNIK

NADZORNI SUSTAVPrimitak naredbe,Slanje vrijednosti za salatu,Potvrda o promijeni parametara

Parametri su promijenjeni

Upit: 71/21/00

Upit: 72/10/00

Upit: 73/35/00

Potvrda

Sl. 4.5. Primjer serijske komunikacije

4.3.2. Implementacija serijske komunikacije unutar Arduina

Za uspostavu serijske komunikaciju u Arduinu, potrebno je izvršit postupak

inicijalizacije na slijedeći način:

1. Serial.begin(9600);

U zagradi se definira brzina serijske komunikacije odnosno baudrate7. Za pripremu

podataka koji se šalju preko serijskog sučelja koristi se Arduinova String klasa [21]. Kad

nadzorni sustav od upravljačkog sustava zahtjeva neku informaciju, podatak se izravno

spremi na serijski međuspremnik (buffer) i „čeka“ dok se podatak ne pročita. Pomoću

sljedeće naredbe je omogućeno čitanje sa serijskog međuspremnika.

1. while (Serial.available()) {

2. znak = Serial.read(); 3. sadrzaj.concat(znak);

4. delay(5); 5. }

Kad (i ako) postoji podatak u serijskom međuspremniku, program ulazi u „while“ petlju i

čita znakove sve dok ima podataka unutar međuspremnika. U liniji 2 čitaju se podatci sa

serijskog međuspremnika i pohranjuje se znak-po-znak (u varijablu vrste „char“).

Pohranjeni znakovi pridružuju se varijabli „sadrzaj“ koja predstavlja objekt klase „String“,

pomoću naredbe „concat()“ (metoda klase „String“). Kad se isprazni međuspremnik, uvjet

u prvoj liniji koda postaje neistinit te program nastavlja sa svojim daljnjim radom.

Primljeni sadržaj uspoređuje se sa tablicom naredbi te se izvršava odgovarajuća radnja.

Primjer takve naredbe prikazan je u slijedećem kodu.

1. if (naredba == "10")

2. { 3. slanje_serial = RastavRealnogBroja(TempMedijan()); 4. Serial.println(slanje_serial); 5. delay(10); 6. }

7 Baudrate - predstavlja brzinu kojom se podaci prenose, odnosno broj simbola koji se šalje po sekundi.


35

Kako bi se podatak uspješno poslao preko serijskog sučelja, pri čemu su vrijednosti

decimalni brojevi tipa „float“, potrebno je broj rastaviti na dva dijela i poslat ih u

posebnom string obliku. Rastav brojeva i pretvorba decimalnog broja omogućen je pomoću

funckije „RastavRealnogBroja()“ prikazano u programskom isječku koji slijedi.

1. /*Rastav realnog broja te pretvorba u string za slanje preko seriala*/ 2. String RastavRealnogBroja(float vrijednost) { 3. int prije_dec_tocke = 0, poslije_dec_tocke = 0; 4. String spojen_dec; 5. prije_dec_tocke = vrijednost; 6. poslije_dec_tocke = (vrijednost - prije_dec_tocke) * 100; 7. spojen_dec = String(prije_dec_tocke)+'.'+String(poslije_dec_tocke); 8. return spojen_dec; 9. }

Funkcija prima vrijednost tipa „float“. Decimalni broj pretvara i sprema se u varijablu tipa

„int“ pri čemu se odbacuju vrijednosti poslije decimalne točke. Nakon toga se predana

vrijednost oduzme sa pretvorenom vrijednosti i množi sa 100 što rezultira sa vrijednošću

brojeva poslije decimalne točke. Nakon toga se brojevi spajaju u vrijednost tipa „String“ i

odvaja sa „ . “, te je podatak spreman za slanje.

U slučaju primitka paketa koji u sebi sadrži neku vrijednost, paket je potrebno

rastaviti kao što je prikazano slijedećim kodnim isječkom.

1. if(sadrzaj[2]){ 2. naredba.concat(sadrzaj[0]); 3. naredba.concat(sadrzaj[1]); 4. sadrzaj.remove(0,3); 5. sadrzaj.replace('/','.'); 6. vrijednost_float = sadrzaj.toFloat(); 7. }

Uvjet koji se mora ispuniti je da veličina pročitanog sadržaja bude veća od dva znaka jer,

po opisanom komunikacijskom protokolu u potpoglavlju 4.3.1., tada se zna da zaprimljeni

paket sadrži neku vrijednost. U objekt „naredba“ dodaju se prva dva znaka zaprimljenog

podatka (naredba), brišu se prva tri znaka unutar objekta „sadrzaj“ što na kraju ostavlja

vrijednost od dobivenog paketa, zamijeni se „ / “ znak sa „ . “ i na kraju se podatak pretvori

u varijablu vrste „float“ koja je tada spremna za daljnji rad.

4.3.3. Implementacija serijske komunikacije unutar NanoPI-a

Za uspješnu serijsku komunikaciju koristi se biblioteka PySerial koja sadržava sve

funkcionalnosti za uspješnu serijsku komunikaciju.[22] Prije samog rada, potrebno je

odraditi inicijalizacijski postupak za uspostavu serijske komunikacije u kojem se najavljuje


36

nadzirani port8, brzinu serijske komunikacije (baudrate) i vrijeme ispada (engl. Timeout9).

Postupak inicijalizacije prikazan u kodnom isječku koji slijedi.

1. import serial 2. #Inicijalizacija serijske komunikacije 3. ser = serial.Serial(port='/dev/ttyUSB0', baudrate=9600, timeout=0.5)

Kodni isječak prikazuje postupak osluškivanja port-a „ttyUSB0“ pri čemu je brzina

komunikacije (baudrate) 9600, a vrijeme ispada (timeout-a) iznosi 0.5 sekundi. S ovim

postupkom završen je inicijalizacijski postupak te je port spreman za rad. U slijedećem

kodnom isječku prikazan je primjer serijske komunikacije između Arduina i NanoPI-a.

1. #Naredba koju saljemo 2. naredba_trenutna_temp = 10 3. #Pretvorba u niz bajtova, pogodno za serijsku komunikaciju 4. slanje_podataka = bytearray(naredba_trenutna_temp,'ascii') 5. #slanje podataka preko USB0 sucelja 6. ser.write(slanje_podataka) 7. #Citanje podataka sa porta u cekanju 8. while (ser.inWaiting()): 9. #Citanje linije sa serial porta 10. vrijednost = ser.readline()

11. #"Ciscenje" porta od sadrzaja

12. ser.flushInput()

U ovom primjeru koristi se naredba za očitavanje trenutne temperature, označeno sa

brojem 10, sa upravljačke jedinice. Potrebno pretvoriti navedenu naredbu u oblik koji je

pogodan za serijsku komunikaciju. Pomoću naredbe „bytearray“ se naredba pretvori

zapakirani bajt podatak enkodirano pomoću ASCII standarda. Nakon toga se podatak

šalje preko UART sučelja na upravljačku jedinicu te se čeka odziv sustava, tj. odgovor.

Primitak odgovora od upravljačkog sustava je vremenski osjetljivo te je bitno postaviti

vrijeme čekanja odgovora. Nakon slanja paketa s naredbom, program odlazi u „while“

petlju gdje čita podatke sa serijskog međuspremnika i na kraju ispražnjuje međuspremnik.

4.3.4. Primjer serijske komunikacije

Na slici 4.6. prikazan je primjer serijske komunikacije između upravljačkih sustava

gdje korisnik postavlja upit.

8 Port – ulaz UART sučelja na kojem je spojen USB priključak 9 Vrijeme ispada ili Timeout – potrebno je kako sustav ne bi ušao u beskonačnu petlju čekajući podatak na

serijskom sučelju te s time onesposobi rad sustava,


37

KORISNIK

Trenutna temperatura?

NADZORNO SUČELJEČitanje iz baze

Priprema podatka za slanje

Slanje naredbe

Potvrda upita

UPRAVLJAČKI SUSTAVČitanje sa serijskog sučeljaObrada podatkaUsporedba sadržaja sa ostalim naredbamaSlanje odgovora preko serijskog sučelja

Prijenos podataka

NADZORNO SUČELJEČitanje sa serijskog sučeljaObrada podatkaSlanje u bazu podataka Prikaz podatka na web

aplikaciji

Prijenos podataka

KORISNIK

Povratna informacija

Oblik upita:10

Oblik odgovora:23/41

Sl. 4.6. Primjer serijske komunikacije gdje se očekuje odgovor

Na slici 4.7. prikazan je slučaj gdje se žele promijeniti parametri za sadnju nove

biljke, odnosno promjena temperature i vlage tla.

KORISNIK

Želim posadit salatu!NADZORNO SUČELJE

Čitanje iz bazePriprema podataka za slanje

Slanje podatka

Potvrda naredbe

UPRAVLJAČKI SUSTAVČitanje sa serijskog sučeljaObrada podatkaUsporedba sadržaja sa ostalim naredbamaPostavljanje novih vrijednosti

Oblik naredbe:60/15/50

KORISNIK Povratna informacija

Sl.4.7. Primjer serijske komunikacije gdje se šalje naredba i vrijednost

4.4. Nadzorni sustav

Za prikaz svih dobivenih podataka sa upravljačke jedinice potrebno je napraviti web

aplikaciju s pripadajućim web poslužiteljem i bazom podataka.

4.4.1. Web poslužitelj i baza podataka

Unutar lokalne mreže, na NanoPI mikroračunalu, potrebno je postaviti web

poslužitelj (engl. Web Server) kako bi se dobila funkcionalna web aplikacija za nadzor

sustava. U tu svrhu koristi se Apache koji omogućava prikaz HTML (engl. HyperText

Markup Language) datoteka putem HTTP (engl. HyperText Transfer Protocol) protokola.

Navedeni web poslužitelj dostupan je za instalaciju unutar Ubuntu operacijskog sustava.

Nakon instalacije stvara se mapa od strane web poslužitelja na putanji „/var/www/html“

gdje su smještene sve datoteke potrebne za rad web aplikacije.


38

Na slici 4.8. prikazana je struktura baze podataka, tj. prikaz svih tablica unutar baze.

Napravljeno je 10 tablica u bazi podataka „scada_gh“ koje služe za pohranu dohvaćenih

vrijednosti iz upravljačkog i nadzornog sustava. Razlog većem broju tablica je lakša

organizacija i pristup podacima. Podaci su grupirani po parametrima kao što su

temperatura zraka, vlažnost zraka, vlažnost tla, količina CO2 i sl.

Tablice „temp_zraka“, „vlaga_zraka“, „vlaga_tla“ i „co2“ sadrže vrijednosti

parametara koje odgovaraju imenu tablice. Tablica „trenutni_recepti“ služi za pohranu

trenutnog recepta, odnosno granične vrijednosti parametara za trenutno posađenu biljku

unutar staklenika. U slučaju promjene biljke upravljački sustav „zna“ koja je biljka

trenutno posađena u stakleniku te da se moraju postaviti nove granične parametre za

odgovarajuću biljku, tj. biljku koju korisnik želi posaditi. Tablica „trenutni_podaci“ služi

za pohranu vrijednosti iz upravljačkog sustava na zahtjev korisničkog upita, a to su:

trenutna temperatura, trenutna vlažnost zraka, trenutna vlažnost tla te trenutna količina

CO2. Svi dohvaćene (trenutne) vrijednosti prikazane su u web aplikaciji (detaljnije o

prikazu vrijednosti u potpoglavlju 4.5.3.).

Sl. 4.8. Prikaz tablica u bazi podataka „scada_gh“


39

4.4.2. Back-end sučelje

Back-end sučelje sustava sastoji se od serijske komunikacije između mikroračunala,

opisana u potpoglavlju 4.3., i upravljanje bazom podataka.

Za upis primljenih podataka sa serijskog port-a, od upravljačke jedinice, u bazu

podataka, koristi se MySQLdb Python [23] modul. Za pravilan rad, potrebno je odraditi

inicijalizacijski postupak, a to podrazumijeva uvoz modula te unos osnovnih podataka o

MySQL bazi. U programskom isječku prikazan je inicijalizacijski postupak.

1. #Koristeni modul 2. import MySQLdb 3. #Baza podataka na koju se spajamo 4. db = MySQLdb.connect(host="localhost", user="root", passwd="1234", \

db="scada_ea")

5. #Najava Cursora 6. cursor = db.cursor()

Za manipulaciju (čitanje, pisanje i brisanje) podataka unutar baze potrebno je

povezat Python skriptu sa bazom koja primljene podatke sa serijskog buffer-a sprema u

odgovarajuće tablice unutar baze podataka. Za pravilno izvršenje zadaća, baza radi u

pozadini i potrebno je pristupiti bazi sa korisničkim računom koji posjeduje privilegije

manipulacije podataka iz baze, a u ovom slučaju to predstavlja „root“ korisnika koji

posjeduje sve te privilegije. Za povezivanje Python skripte i baze koristi se

MySQLdb.connect naredba u koju se unose parametri:

• host – IP adresa kojoj se pristupa,

• user – ime korisnika s kojim se pristupa,

• passwd – lozinka,

• db – ime baze kojoj se pristupa.

Naredba u 6. liniji koda, „cursor“, predstavlja kontrolnu strukturu koja omogućava

kretanje po zapisima u tablicama unutar baze podataka. Nakon inicijalizacijskog postupka

može se manipulirati sa podacima unutar baze pomoću standardnih SQL naredbi [24]. U

programskom isječku koji slijedi prikazan je postupak unosa podataka u bazu tj. unos

podataka u tablicu „temp_zraka“.


40

1. #Vrijednosti koje se upisuju 2. trenutna_temp, min_temp, max_temp = 23.56, 19.47, 25.12 3. #Pokusaj poslat zadane podatke u bazu 4. try: 5. cursor.execute("INSERT INTO scada_gh.temp_zraka(\ 6. datum, vrijeme, trenutna_temp, min_temp, max_temp)\ 7. VALUES (now(), now(), %f, %f, %f)" \ 8. (adresa,trenutni_pritisak, min_pritisak, max_pritisak)) 9. db.commit() 10. print ("Uspjesno poslano u bazu!")

11. #U slucaju da ne uspije – vrati se na prethodno stanje

12. except:

13. db.rollback()

14. print("Nista od slanja")

U programskom isječku prikazan je kod koji predstavlja kalup za slanje podataka u

bazu, tj. isti pristup se koristi za slanje vrijednosti ostalih parametara u bazu. U ovom

slučaju pokušava se poslati 5 vrijednosti u tablicu „trenutna_temp“, a to su: datum, vrijeme,

trenutna_temp, min_temp i max_temp. Kada se dodijele vrijednosti varijablama, tada

slijede „try-except“ naredbe koje služe za upravljanje pogreškama (u slučaju da dođe do

greške prilikom slanja). U „try“ bloku se pomoću naredbe „INSERT INTO“ unose podaci

u tablicu scada_gh.temp_zraka koja se sastoji od slijedećih atributa datum, vrijeme,

trenutna_temp, min_temp i max_temp.. U Python i MySQL kodu bitno je naglasit vrstu

podatka (int, float, date itd.) koja se pohranjuje jer se u suprotnom podatak neće uspješno

pohranit te će upisati NULL vrijednost unutar baze. U ovom slučaju se šalju podaci vrste

„float“ te se u SQL naredbi postavlja „%f“ argument što Python prevoditelju označava da

se na tom mjestu nalazi podatak vrste „float“, te će upisati vrijednost iz odgovarajuće

varijable. Pomoću naredbe „db.commit()“ podaci se šalju u bazu i ako je sve ispravno

postavljeno, podaci će biti vidljivi u bazi.

U programskom isječku koji slijedi prikazan je ispis podatka, tj. posljednje naredbe

iz baze te pohrana podatka u varijablu.

1. try: 2. cursor.execute("SELECT adresa FROM scada_gh.naredba") 3. #Pohrana podataka u varijablu 4. for i in cursor: 5. naredba_t = cursor.fetchone() 6. naredba_dek = int(naredba_t[0]) 7. break 8. except: 9. db.rollback() 10. print("Nista od primanja podataka")

Naredba “cursor.fetchone()“ uzima posljednji podatak iz tablice te ju vraća kao Python

objekt, a u ovom slučaju je bitan prvi element Python objekta.


41

Manipulacija podacima unutar baze, iz web aplikacije, omogućeno je korištenjem

PHP programskog jezika. Prije svega, potrebno je povezati web aplikaciju s bazom

podataka, kako je prikazano u programskom isječku koji slijedi. Primijeti se da spajanje na

bazu izvršava funkcija „mysqli_connect()“ koja kao parametre prima: naziv web

poslužitelja, korisničko ime, lozinku i naziv baze podataka.

1. <?php 2. $posluzitelj_name = "localhost"; 3. $username = "root"; 4. $password = "****"; 5. $db = "scada_gh"; 6. // stvori vezu 7. $conn = mysqli_connect($poslužiteljname, $username, $password, $db); 8. // Provjera veze 9. if ($conn->connect_error) { 10. die("Spajanje nije uspjelo: " . $conn->connect_error);

11. }

12. ?>

Prikupljanje podataka iz baze potrebno je u raznim elementima kao što su tablice,

izbornici te prikaz podataka na grafu unutar web aplikacije. Kao i u prethodnom primjeru,

sve to omogućava PHP kod koji dohvaća podatke i prikazuje ih na web aplikaciji. Za

dohvaćanje podataka iz baze koristi se primjer ispisa imena biljaka koji se nalaze u tablici

„recepti“. Nakon dohvaćanja podataka, stvara se padajući izbornik u kojem su prikazane

biljke sa predefiniranim graničnim vrijednostima. Primjer dohvaćanja podataka prikazan

je u programskom isječku koji slijedi.

1. <?php 2. $result_biljka = mysqli_query($conn,"SELECT * FROM recepti"); 3. while($row_biljka = mysqli_fetch_array($result_biljka)){ 4. echo "<option value='" . $row_ biljka ['biljka'] . "'>" . $row_biljka

['biljka'] . "</option>"

5. } 6. ?>

Nakon odabira biljke potrebno predefinirane vrijednosti upisati u tablicu

„trenutni_recepti“. Uz pomoć name atributa dohvaćaju se imena biljaka i prosljeđuje

POST proceduri koja podatke sprema u PHP varijable te se na kraju pohrane u varijablu

koja sadrži cijeli SQL upit. Nakon što se vrijednosti pohrane, izvršava se funkcija

„mysql_query()“ koja kao argumente prima informaciju o bazi na koju se šalje i SQL upit.

Kad je POST vrijednost postavljena, izvršava se dio programa u kojem se iz tablice

„recepti“ izvlače vrijednosti za biljku koju je korisnik odabrao, tj. biljku koju želi posaditi.

Dohvaćene vrijednosti se spremaju u varijable i ubacuju u SQL upit koji vrijednosti šalje u


42

bazu podataka „trenutni_recepti“. U programskom isječku prikazan je prethodno opisan

postupak.

1. <?php 2. if (isset($_POST["promijeni_biljku"])){ 3. $result_biljka = mysqli_query($conn,"SELECT * FROM recepti"); 4. while($row_biljka = mysqli_fetch_array($result_biljka)){ 5. if($row_biljka['biljka']==$_POST["promijeni_biljku"]){ 6. $biljka=$row_biljka['biljka']; 7. $min_temp=$row_biljka['min_temp']; 8. $max_temp=$row_biljka['max_temp']; 9. $min_vlaga=$row_biljka['min_vlaga']; 10. $max_vlaga=$row_biljka['max_vlaga']; 11. $sql = "INSERT INTO trenutni_recepti (biljka , min_temp, max_temp,

min_vlaga, max_vlaga) VALUES ('$biljka', '$min_temp', '$max_temp',

'$min_vlaga', '$max_vlaga')";

12. mysqli_query($conn, $sql); 13. } 14. } 15. } 16. ?>

4.4.3. Front-end sučelje

Front-end sučelje sustava izvedeno je uz pomoću Foundation frontend framework-a

[32] pri čemu je cijela stranica po organizirana po blokovima (engl. Grid) kao što je

prikazano na slici 4.9.

Sl. 4.9. Grid sustav Foundation framework-a [25]

Početna stranica nadzornog sustava je prijava korisnika, prikazano na slici 5.3.,

koja onemogućava pristup web aplikaciji prije autorizacije korisnika. Nakon unosa

korisničkih podatke, sustav provjerava postoji li korisnik u bazi podataka (tablica login) i

ako su podaci ispravni tada započinje „session“ koji korisniku omogućava pristup web

aplikaciji sve dok je „session“ aktivan ili dok ga korisnik sam ne prekine odjavom iz

sustava.


43

Nakon uspješne prijave, korisnik pristupa nadzornoj stranici. Na nadzornoj stranici

korisnik ima uvid u stanje cjelokupnog sustava (detaljnije u poglavlju 5.).

Sl. 4.10. Dohvaćene trenutne vrijednosti

Na slici 4.10. prikazano je dohvaćanje trenutnih vrijednosti unutar sustava.

Vrijednosti koje se mogu dohvatiti su: trenutna temperatura zraka, trenutna vlažnost zraka,

trenutna vrijednost CO2 i trenutna vlažnost tla. U programskom kodu što slijedi prikazano

je dohvaćanje podataka.

1. <?php 2. if (isset($_POST["podatak"])) { 3. $podatak = $_POST["podatak"]; 4. } 5. if ($podatak !=0){ 6. $sql = "INSERT INTO naredba (naredba) VALUES ('$podatak')"; 7. mysqli_query($conn, $sql); 8. } 9. ?>

Na temelju odabrane vrijednosti šalje se odgovarajuća naredba u tablicu „naredba“ i

sadržaj te tablice pročita back-end dio sustava. Pročitana vrijednost se obrađuje, priprema

i šalje preko serijskog sučelja na upravljački sustav. Nakon što se naredba pošalje, čeka se

odgovor od upravljačkog sustava. Back-end dio nadzornog sustava čita primljeni podatak

sa serijskog buffer-a, obrađuje i zapisuje primljenu vrijednost u bazu, tj. zapisuje u tablicu

„trenutni_podaci“. U programskom isječku prikazan je prethodno opisani postupak.

1. try: 2. cursor.execute("INSERT INTO scada_gh.trenutni_podaci(vrijednost)\ 3. VALUES (%f)"%(vrijednost_tp)) 4. db.commit() 5. print ("Uspjesno poslano u tablicu trenutni_podaci!") 6. except: 7. db.rollback() 8. print("Nista od slanja u tablicu trenutni podaci")

Web aplikacija dohvaća podatak iz tablice „trenutni_podaci“ i prikazuje na nadzornom

sučelju. Postupak je prikazan u programskom isječku koji slijedi.


44

1. <?php 2. $result_trenutni = mysqli_query($conn,"SELECT * FROM

trenutni_podaci");

3. while($row_trenutni = mysqli_fetch_array($result_trenutni)){ 4. if($podatak == 10){

5. echo "Temperatura: " . $row_trenutni['vrijednost'] . " °C"; 6. } 7. if($podatak == 20){

8. echo "Vlažnost zraka: " . $row_trenutni['vrijednost'] . " %"; 9. } 10. if($podatak == 30){

11. echo "Količina CO2: " . $row_trenutni['vrijednost'] . " %"; 12. }

13. if($podatak == 40){

14. echo "Vlažnost tla: " . $row_trenutni['vrijednost'] . " %"; 15. }

16. if($podatak!=10 && $podatak!=20 && $podatak!=30 && $podatak!=40){

17. echo "Odaberite podatak!";

18. }

19. ?>

Grafički i tablični prikaz slijedi nakon dohvaćanja podataka. Povijesni prikaz

podataka na grafu omogućeno je korištenjem interaktivnih HighCharts Javascript [33]

grafova koji se jednostavno mogu ugraditi i prilagoditi za različite namjene. U nadzornom

sustavu je primijenjen za prikaz povijesnih podataka temperature zraka, vlažnosti zraka,

vlažnosti tla i količine CO2. Podaci se dohvaćaju iz odgovarajućih tablice i može se

odabrati svaki parametar zasebno za prikaz na grafu. Na slici 4.11. prikaz je graf povijesnih

podataka pri čemu se na y-osi nalazi vrijednost parametra, a na x-osi prikaz kroz vrijeme.

Sl. 4.11. Graf sa povijesnim podacima


45

Prikaz vrijednosti parametara iz baze podataka izvedeno pomoću tablica gdje svaka

tablica pripada jednoj skupini parametara kao što je prikazano na slici 4.12. Može se

primjetiti da su ispisani posljednji (najnoviji) podaci svih mjerenih parametara unutar

sustava, te datum i vrijeme dohvaćanja podataka. Također postoji tablica u kojima su

prikazana trenutna stanja aktuatora unutar makete staklenika pri čemu se koristi binarna

logika za prikaz stanja aktuatora (1 za uključeno, 0 za isključeno).

Sl.4.12. Tablice stanja

U programskom isječku koji slijedi prikazano je dohvaćanje i prikaz podataka unutar

tablica.

1. <?php 2. $result_co2 = mysqli_query($conn,"SELECT * FROM co2 ORDER BY datum

DESC LIMIT 1");

3. while($row_co2 = mysqli_fetch_array($result_co2)){ 4. echo"<tr>"; 5. echo "<td>" . $row_co2['datum'] . "</td>"; 6. echo "<td>" . $row_co2['vrijeme'] . "</td>"; 7. echo "<td>" . $row_co2['trenutno_co2'] . "</td>"; 8. echo "<td>" . $row_co2['min_co2'] . "</td>"; 9. echo "<td>" . $row_co2['max_co2'] . "</td>"; 10. }

11. ?>

Na slici 4.13. prikazana je trenutna razina vode u spremniku vode. Za te potrebe

korišten je stupčasti prikaz napretka (engl. Progress bar) koji je preuzet od Foundation

framework-a.

Sl. 4.13. Razina vode

Dohvat vrijednosti se također obavlja kao i u ostalim primjerima. Vrijednost se iščitava iz

tablice „razina_vode“ te se prikazuje pomoću navedenog progress bar-a.


46

U slučaju da korisnik želi posaditi novu biljku, potrebno je postaviti recept. Na slici

4.13. prikazana je stranica za promjenu recepta.

Sl. 4.13. Promjena biljke

Prije svega, potrebno je odabrati biljku koja se sadi te nakon odabira stisnuti „Potvrdi

odabir“ kako bi se vrijednosti poslale u bazu podataka, tj. tablicu „trenutni_recepti“. Nakon

promjene, na nadzornoj stranici se ispiše posađena biljka. U programskom isječku koji

slijedi prikazan je način promjene biljke.

1. <?php 2. if (isset($_POST["promijeni_biljku"])){ 3. mysqli_query($conn,"TRUNCATE TABLE trenutni_recepti"); 4. $result_biljka = mysqli_query($conn,"SELECT * FROM recepti"); 5. while($row_biljka = mysqli_fetch_array($result_biljka)){ 6. if($row_biljka['biljka']==$_POST["promijeni_biljku"]){ 7. $biljka=$row_biljka['biljka']; 8. $min_temp=$row_biljka['min_temp']; 9. $max_temp=$row_biljka['max_temp']; 10. $min_vlaga=$row_biljka['min_vlaga'];

11. $max_vlaga=$row_biljka['max_vlaga'];

12. $sql = "INSERT INTO trenutni_recepti (biljka , min_temp,

max_temp, min_vlaga, max_vlaga) VALUES ('$biljka', '$min_temp',

'$max_temp', '$min_vlaga', '$max_vlaga')";

13. mysqli_query($conn, $sql);

14. }

15. }

16. }

17. ?>

Nakon potvrde odabira, ime biljke šalje se kao POST varijabla. Podaci koji se nalaze u

tablici „trenutni_recepti“ se brišu jer nije potrebno zadržavat recept prethodno posađene

biljke. Iz tablice „recepti“ dohvaćaju se svi podaci te se imena biljaka uspoređuju sa POST

varijablom koja sadrži ime biljke koja se želi posaditi. Kad se pronađe željena biljka,

vrijednosti atributa „min_temp“, „max_temp“, „min_vlaga“ i „max_vlaga“ se unesu u

tablicu „trenutni_recepti“. Nakon čitanja, obrade i slanja podataka, upravljački sustav

prima podatak te postavi nove granične vrijednosti.


47

5. RAD SUSTAVA

U ovom poglavlju opisan je postupak postavljanja sustava i osposobljavanja za rad.

5.1. Postavljanje nadzornog sučelja

Kad se NanoPI uključi, Apache web poslužitelj (web server) se automatski pokrene.

Kako bi se pravilno pokrenula web aplikacija, potrebno je sustav spojiti na internet. Nakon

što se sustav spoji na internet, potrebno je saznat IP adresu NanoPI-a jer MySQL baza

podataka neće raditi i vrijednosti će biti nedostupne web aplikaciji. Postoje dva načina za

dohvaćanje IP adrese, prva je da se korisnik spoji na ruter te u postavkama pronađe IP

adresu, kao što je prikazano na slici 5.1.

Sl. 5.1. IP adresa dobivena ulaskom u sučelje rutera

Drugi način je, nakon spajanja na internet, da se na terminalu od sustava upiše naredba

„ifconfig“ te se dobije ispis postavki za internet, pod stavkom „eth0“ treba pronaći stavku

„inet_addr“ i tamo se pronaći trenutnu IP adresa sustava. Kad se obavi taj postupak,

potrebno je u bazu podataka upisati IP adresu, a u ovom slučaju je „192.168.1.5“.

Naredbom „sudo nano /etc/mysql/my.cnf“ ulazi se u konfiguracijsku datoteku te se pod

stavkom „bind-adress“ unosi IP adresa kao što je prikazano na slici 5.2.

Sl. 5.2. Unos IP adrese

Kad se unese IP adresa, baza podataka i web aplikacija je spremna za rad.


48

5.2. Rad cjelokupnog sustava

Kad se postave baza podataka i web poslužitelj, potrebno je uključiti upravljački

sustav. Kako bi se pristupilo web aplikaciji, potrebno je u web preglednik unijeti IP adresu

nadzornog sustava te ime aplikacije „scada_gh“ kao što slijedi:

192.168.1.5/scada_gh

Nakon upisa adrese, otvori se početna stranica odnosno stranica za prijavu korisnika kao

što je prikazano na slici 5.3.

Sl. 5.3. Sučelje za prijavu

Unosom ispravnih korisničkih podataka, pristupa se glavnoj nadzornoj stranici koja je

prikazana na slici 5.4.

Sl. 5.4. Nadzorno sučelje


49

Nadzorno sučelje prikazuje stanje unutar makete staklenika. Nakon pokretanja,

sustav inicijalizira početne parametre, no prije toga korisnik mora postaviti parametre za

biljku koju je posadio. Nadzorni sustav preko serijskog komunikacijskog sučelja šalje

podatkovne pakete upravljačkom sustavu koji sadrže naredbe sa vrijednostima graničnih

parametara. Nakon primitka vrijednosti, upravljački sustav postavlja granične vrijednosti i

započinje sa radom. Upravljačka logika i rad sustava opisani su u poglavlju 4. Sustav

svakih 15 minuta mjeri trenutne vrijednosti parametara unutar staklenika te ih šalje

nadzornom sustavu koji izmjerene vrijednosti prikazuje u web aplikaciji. Na slici 4.9.

prikazano je dohvaćanje trenutnih vrijednosti (temperatura, vlažnost tla, vlažnost zraka i

količina CO2 u zraku) unutar staklenika. Nakon odabira parametra, korisnik potvrdi odabir

pritiskom na gumb „Prikaži podatak“ te se nakon kratkog vremena ispiše vrijednost sa

desne strane, kao što je prikazano na slici 5.4. U slučaju otvaranja poklopca staklenika,

postavljeno je tipkalo ispod poklopca staklenika koje šalje signal sustavu da je poklopac

podignut te postavlja sustav u stanje mirovanja, odnosno, gasi grijače, ventilatore, UV

rasvjetu i navodnjavanje jer se pretpostavlja da korisnik želi nešto raditi unutar staklenika.

Sl. 5.5. Primjer regulacije temperature unutar staklenika


50

Na slici 5.5. dan je primjer regulacije temperature unutar staklenika pri čemu y-os

predstavlja vrijednost temperature u °C, a x-os vrijeme u minutama. Na grafu su prikazane

granične vrijednosti, pri čemu je donja granična temperatura 19°C, a gornja granična

temperatura 23°C. Prilikom uključivanja sustava, temperatura unutar staklenika iznosila je

17.37°C što je manje od dopuštene temperature te se zbog toga uključio grijač. Nakon što

se postigne optimalna temperatura (vidi potpoglavlje 4.2.1.) od 21°C, grijač se isključi.

Na slici se primijeti kako temperatura opada s vremenom te svakih 10 do 12 minuta postiže

najmanju dopuštenu temperaturnu vrijednost te se grijač ponovno uključuje i grije

staklenik. Uzorak temperature se uzimao svake minute, odnosno period uzorkovanja iznosi

60s.

Na slici 5.6. prikazana je gotova maketa staklenika.

Sl. 5.6. Maketa staklenika


51

6. ZAKLJUČAK

Za uspješan rast biljaka, potrebno je održavat fizičke parametre (temperatura, vlaga

tla i zraka, količina CO2 u zraku) unutar vrijednosti pogodne za rast biljaka. Čovjek je biće

koje zaboravlja i kad radi s vremenom mu opada koncentracija te čini pogreške.

Automatizacija uzgoja biljaka predstavlja jedno rješenje koje umanjuje ljudske pogreške

te uvelike pospješuje rast biljaka jer omogućava stalni nadzor fizičkih parametara te

manipulaciju istih (zalijevanje, provjetravanje, grijanje, hlađenje itd.).

Prilikom izrade diplomskog rada javljaju se mnogi problemi tijekom dizajniranja

programske i elektroničke podrške. Potrebno je vremena i strpljenja za uspješno

dizajniranje i rad kompleksnijih sustava jednog takvog automatiziranog procesa.

Cilj ovog diplomskog rada je iskoristiti znanje stečeno tijekom studiranja te

dizajnirati automatizirani sustav staklenika pomoću odgovarajućih senzora i aktuatora te

sa odgovarajućim nadzornim sustavom pomoću dostupnih web tehnologija. Svaka biljka

optimalno raste u odgovarajućim fizičkim uvjetima, tj. temperatura, vlažnost tla i zraka.

Također, jedan od bitnih parametara je kvaliteta zraka, odnosno količina CO2 u zraku

unutar staklenika jer se kod ustajalog zraka mogu razviti patogene bakterije koje mogu

uništiti biljku. Izrađeni sustav sastoji se od sustava za ventilaciju, grijanja i navodnjavanja,

pri čemu se održavaju sljedeće veličine unutar zadanih granica: temperatura zraka, vlažnost

zraka, količina CO2 u zraku. Izrađena je web aplikacija koja omogućava nadzor izmjerenih

fizičkih parametara unutar staklenika, dohvaćanja trenutnih vrijednosti te promjena

referentnih vrijednosti.

Moguća poboljšanja postoje. Nadogradnja nadzornog sustava sa kamerom koja bi

na dnevnoj bazi slala slike iz staklenika web aplikaciji te korisniku omogućilo veću

kontrolu nad rastom biljaka i sustavom.


52

LITERATURA

[1] Greenhouse, Wikipedia.org, dostupno na: https://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse

[22.10.2017]

[2] https://www.greenhousepeople.co.uk/greenhouse/5415/popular-6ft-x-4ft-mill/

[04.12.2017]

[3] Requirements for planth growth, dostupno na:

http://www.aces.uiuc.edu/vista/html_pubs/hydro/require.html [29.09.2017]

[4] Agroklub, dostupno na: https://www.agroklub.com/ [15.04.2017]

[5] Arduino MEGA2560, Arduino company, dostupno na:

https://www.arduino.cc/en/main/arduinoBoardMega2560 [16.04.2017]

[6] NanoPI NEO, dostupno na: http://wiki.friendlyarm.com/wiki/index.php/NanoPi_NEO

[16.04.2017]

[7] DHT21 sensor, dostupno na: https://www.digibay.in/427-dht21-am2301-digital-

temperature-and-humidity-sensor [04.12.2017]

[8] MQ-135 Gas Sensor, dostupno na:

https://www.olimex.com/Products/Components/Sensors/SNS-MQ135/resources/SNS-

MQ135.pdf [04.12.2017]

[9] MQ 135 gas sensor, dostupno na: https://potentiallabs.com/cart/air-quality-control-gas-

sensor-mq135 [04.12.2017]

[10] Ultrasonic ranging module, dostupno na: http://www.micropik.com/PDF/HCSR04.pdf

[04.12.2017]

[11] Specification for LCD module, dostupno na:

https://www.openhacks.com/uploadsproductos/eone-1602a1.pdf [04.12.2017]

[12] LCD 1602, dostupno na:

http://www.yourduino.com/sunshop/index.php?l=product_detail&p=62 [04.12. 2017]

[13] YL-38 soil mositure sensor with Arduino, dostupno na: http://www.diyspacepk.com/yl-

38-soil-moisture-sensor-with-arduino/ [04.12.2017]

[14] Single 5V relay board, dostupno na:

http://microcontrollershop.com/product_info.php?products_id=5919 [04.12.2017]

[15] DC submersible water pump, dostupno na: https://www.ebay.com/itm/Ultra-Quiet-

Mini-DC-12V-Lift-3M-240L-H-Brushless-Motor-Submersible-Water-Pump-

/132087694620?_trksid=p2349526.m4383.l4275.c10 [04.12.2017]


53

[16] DC 12V Solenoid, dostupno na: https://www.ebay.com/itm/DC-12V-Solenoid-valve-

Mini-electric-valve-Discouraged-valve-Normally-closed-

FW/253213204786?epid=1139470053&hash=item3af4aee132:g:JZMAAOSwighZgCSc

[04.12.2017]

[17] The Importance of UV Light for Plants Cultivated Indoors, Best LED, dostupno na:

https://bestledgrowlightsinfo.com/the-importance-of-uv-light-for-plants-cultivated-

indoors/ [19.09.2017]

[18] DC 12V UV light, dostupno na: https://www.ebay.com/itm/DC12V-3528-5050-UV-

Ultraviolet-purple-waterproof-60led-m-Strip-lamp-

light/262493956304?hash=item3d1ddbe8d0:m:m5ai67U4Dn7nqb0vJcxaGgg

[04.12.2017]

[19] DC 12V Brushless fan, dostupno na: https://www.amazon.com/Gdstime-Bearing-

Brushless-Cooling-Exhaust/dp/B00N1Y4BMA [04.12.2017]

[20] Photoresistor, Wikipedia.org, dostupno na: https://en.wikipedia.org/wiki/Photoresistor

[04.12.2017]

[21] Arduino String(), Arduino company, dostupno na:

https://www.arduino.cc/reference/en/language/variables/data-types/stringobject/

[15.11.2017]

[22] PySerial dokumentacija, dostupno na: https://pyserial.readthedocs.io/en/latest/

[15.11.2017]

[23] MySQLdb User's Guide, dostupno na: http://mysql-

Python.sourceforge.net/MySQLdb.html [21.09.2017]

[24] SQL Tutorial, W3 Schools, dostupno na: https://www.w3schools.com/sql/ [05.12.2017]

[25] Foundation framework documentation, dostupno na: https://foundation.zurb.com/

[05.12.2017]

[26] When do you use the Arduino's Serial.flush()?, dostupno na:

https://www.baldengineer.com/when-do-you-use-the-arduinos-to-use-serial-flush.html

[10.11.2017]

[27] Can't send float values from one Arduino to another, dostupno na:

https://stackoverflow.com/questions/36598774/cant-send-float-values-from-one-

arduino-to-another#36600329 [10.11.2017]

[28] Cursor (databases), Wikipedia.org, dostupno na:

https://en.wikipedia.org/wiki/Cursor_(databases) [21.09.2017]

[29] Linux ifconfig command, dostupno na:

https://www.computerhope.com/unix/uifconfi.html [19.11.2017]

[30] M. Margolis, Arduino Cookbook, O' Reilly Media, Inc., Sebastopol, 2011.


54

SAŽETAK

Naslov: Izgradnja makete staklenika i izrada pripadne programske podrške za

nadzor i upravljanje

Sažetak: U ovom radu dan je postupak izgradnje staklenika pri čemu je postupak

zalijevanja, grijanja i ventilacije automatiziran. Automatizacija je omogućena pomoću

Arduino MEGA2560 mikroračunala i odgovarajućih senzora i aktuatora. Također je

izrađena odgovarajuća web aplikacija za nadzor sustava tj. mogućnost praćenja

temperature, vlažnost zraka i tla te količine CO2. Web aplikacija, web poslužitelj i serijska

komunikacija smještena je na mikroračunalu NanoPI NEO sa „Snappy Ubuntu Core“

operacijskim sustavom.

Ključne riječi: ugradbeni računalni sustavi, staklenik, automatizacija, IoT


55

ABSTRACT

Title: Building a greenhouse model with the adequate software support for

supervision and control

Abstract: This paper reviews the building procedure of a greenhouse model in which the

tasks of heating, watering and ventilation are fully automated. The automation process is

realized with the Arduino MEGA2560 microcontroller unit and the appropriate sensors and

actuators. Also, a appropriate web application is made for supervision in which the user

can get the information of the temperature, air humidity level, earth humidity level and

CO2 concentration. The web application, web poslužitelj and serial communication is

realized on the NanoPI microcontroller with the „Snappy Ubuntu Core“ operating system

on it.

Keywords: embedded microcontroller system, greenhouse, automation, IoT


56

ŽIVOTOPIS

Zvonimir Pervan, rođen je 12.10.1990. godine u Vinkovcima. U 2004. godini

završava osnovnu školu „Zrinski“ u Nuštru i iste godine upisuje srednju tehničku školu

„Ruđer Bošković“ u Vinkovcima, smjer Tehničar za Mehatroniku te ju završava 2009.

godine. Nakon stanke u obrazovanju, 2011. godine upisuje stručni studij smjer Automatika

na Elektrotehničkom fakultetu u Osijeku i završava ga 2014. godine. Iste godine upisuje

godinu razlikovnih obveza na istom fakultetu, 2015. godine ju uspješno završava i upisuje

sveučilišni diplomski studij smjer Procesno računarstvo na Fakultetu elektrotehnike,

računarstva i informacijskih tehnologija u Osijeku. Tijekom diplomskog studija dobiva

nagradu za postignut uspjeh tijekom studiranja i postaje stipendist općine Nuštar.

Potpis

____________________________


57

PRILOZI

Prilog P.3.1.:


58

Prilog P 3.3.1. [21]:

Broj pina Simbol Logička

razina (H/L) Značenje/funkcija

1 VSS -- GND

2 VDD -- +5V

3 V0 -- Za LC prikaznik

4 RS H/L H: Unos znakova, L: Unos instrukcija

5 R/W H/L H: Čitanje sa LCD, L: Pisanje na LCD

6 E H/L Odobrava unos podataka

7 DB0 H/L

Podatkovna sabirnica koja se koristi za

8 bitni prijenos

8 DB1 H/L

9 DB2 H/L

10 DB3 H/L

11 DB4 H/L

Podatkovna sabirnica za unos 4 i 8

bitnih podataka

12 DB5 H/L

13 DB6 H/L

14 DB7 H/L

15 BLA -- Pozadinsko svijetlo +5V

16 BLK -- Pozadinsko svijetlo GND

Documents

IZGRADNJA MAKETE STAKLENIKA I IZRADA PRIPADNE … · 2019. 5. 11. · Izrada mekete staklenika sastoji se od izrade odgovarajućeg hardvera koja uključuje upravljačko mikroračunalo,